文昌魚。

調控元件驅動兩棲動物胚胎中的基因表達。藍色爲細胞核，綠色爲調控表達的蛋白質。

科學家曾經認爲必須有200萬個基因才能解釋人類身體的複雜性，但自從對人類基因組進行測序後，研究人員發現人類只有19000到25000個基因，這並不比普通蛔蟲多多少。現在，有證據表明，人類和其他脊椎動物之所以擁有獨特的屬性，並非因爲基因的數量，而是因爲基因表達的調控方式。

11月21日發表在《自然》雜誌上的一項新研究讓我們得以一窺脊椎動物基因調控的起源。日本沖繩理工學院研究生院（OIST）的研究人員對文昌魚進行了研究。文昌魚是脊索動物門中的一種生物，雖然擁有與脊椎動物相似的身體結構，但缺乏脊椎動物特有的特徵，如頭部、眼睛和四肢。研究人員探索了文昌魚是如何控制其基因活性的，並明確哪些基因調控機制是已經存在、哪些調控機制是由脊椎動物進化來的。

“從進化的角度來說，如果真的想了解脊椎動物、哺乳動物和人類的特殊之處，我們需要有這個基礎才能比較他們。”該項研究的共同第一作者、OIST分子遺傳學研究中心博士後Ferdinand Marletaz說。

科學家們假設，除了生命進化樹上的文昌魚以外，生物體還會產生整個基因組的額外副本。有證據表明，整個脊椎動物的基因組經歷了兩次複製，每一個基因的進化都留下了額外的副本。這兩輪全基因組複製被認爲是推動脊椎動物引入其特有的遺傳特徵的動力。Marletaz說：“這兩輪全基因組複製促進了所謂的‘脊椎動物新特徵’的進化，例如頭部和四肢。”

新特徵的發展在很大程度上依賴於新的基因調控方式，這種方式允許脊椎動物開啓或關閉特定的基因。然而，科學家們從未將基因組複製和這些新發現的調控方式聯繫起來。現在，通過比較文昌魚和脊椎動物（如斑馬魚），研究人員得出了其中的聯繫。他們發現，儘管兩者包含的基因數量大致相同，但與脊椎動物相比，文昌魚的基因組包含的調控區域要少得多。脊椎動物的基因組在複製的過程中丟失了一些基因，在剩下的基因中留出空間，容納了這些調控區域。隨着時間的推移，剩下的基因受到嚴格的控制。科學家認爲隨着重複基因在功能上的分化，不同的組織可能已經開始進化。

研究結果還揭示了文昌魚的一種基因調控機制，這種調控機制曾被認爲是脊椎動物所特有的機制。被稱爲甲基的化學結構在脊椎動物基因組中大量出現，並調控其附着的基因。在發育過程中，脊椎動物的基因組會通過去甲基化改變基因調控。研究表明，雖然文昌魚基因組中的甲基化很少，但也會把去甲基化作爲一種基因調控的形式。

這項研究結果將去甲基化這種基因調控方式移到了進化時間軸更早的位置。有了更多的數據，科學家們可能會發現，其他基因調控形式的出現可能與我們之前的認知有出入。“我們需要更多這種類型的研究來理解不同動物在基因調控方面的主要差異。即使是現在，我們仍然所知甚少。”Marletaz說。

使用《自然》雜誌的研究方法，Marletaz正在分子遺傳學領域研究魷魚。魷魚和脊椎動物有許多共同的複雜特徵，比如眼睛和大腦都很大，它們代表着進化的另一個階段。用類似文昌魚系統的方法來研究魷魚應該會進一步加深科學家對基因調控的理解。

編譯：花花 審稿： 責編：唐林芳

期刊來源：《自然》

原文鏈接：https://phys.org/news/2018-11-vertebrates-special-lancelets.html

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